永磁直流电机具有启动性能好、过载能力大、容易控制、短时间内能够达到平滑无极的调速等优点,因此直流电机被广泛应用于大型精密机床,用于继电保护等。无论是医疗领域、工业领域还是IC集成制造等领域,直流电机由于它具有足够的行程且成本较低被应用于定位平台,但是在对精密跟踪技术要求较高的情况下,直流电机不能达到理想的精度。我们为了克服这种缺点,采用压电陶瓷与永磁直流电机配合使用。压电陶瓷因为能耗低、驱动能力强、定位精度高且响应速度快的优点常被广泛应用,且这些优点与直流电机形成互补,通常使用压电陶瓷来实现小行程高精度的定位。但是压电陶瓷的非迟滞特性是造成系统不稳定的重要因素,且会影响控制精度,那么如何补偿迟滞非线性进而弥补这种缺点是研究的重要课题。本文欲将直流电机与压电陶瓷结合,实现上层规划、下层实施的复合控制,进而实现精密跟踪定位控制。1.模型的建立本文首先根据电机的转矩机理、电路机理建立了直流电机的数学模型,并且配合滚珠丝杠机构将电机的旋转运动转换为直线运动,建立永磁直流电机配合滚珠丝杠机构的定位系统模型;然后分析压电陶瓷的非线性特性,针对迟滞非线性特性建立了Hammerstein模型,其中的非线性部分采用Bouc-Wen模型表示,参数用粒子群算法(PSO)辨识,将Bouc-Wen模型中线性部分等效为一个二阶系统,其参数用MATLAB辨识工具箱进行辨识。为了消除压电陶瓷迟滞非线性的影响,对Bouc-Wen模型求逆来补偿迟滞特性,进而得到将迟滞非线性特性补偿掉的压电陶瓷模型。2.上层模型预测控制器的设计首先根据并联系统的基本特性建立永磁直流电机与压电陶瓷并联系统,设计基于状态空间表达式的模型预测控制器,调节权重矩阵中各个分量值,让直流电机与压电陶瓷并联的位移之和共同达到期望位移曲线,进而得到直流电机与压电陶瓷分别需要达到的状态量,也就是底层直流电机和压电陶瓷的控制目标。3.底层滑模控制器、反步法控制器的设计根据上层MPC控制器的计算结果,得到的两个状态量,分别设计底层电机的滑模控制器,以及屏蔽掉迟滞非线性的压电陶瓷反步法控制器,让二者达到MPC计算出的底层控制目标,并进行仿真分析。4.非线性直流电机三步控制器的设计第二章的建模忽略掉了直流电机的各种摩擦力,但是摩擦力在运动控制理论中是难以忽略的,为了提高底层控制的控制精度,因此我们考虑电机配合滚珠丝杠控制系统的摩擦力。介绍传统的非线性控制方法,例如PID控制算法推广到非线性三步控制方法,分别阐述类稳态控制,参考前馈控制,误差反馈控制的原理及设计方法,其中误差反馈中采用PID控制器的形式。设计三步非线性控制方法实现直流电机的底层控制,对所得结果进行仿真,证明所提方案的合理性,设计的控制器具有鲁棒性。